一种基于仪表放大器的抑制方法

开关电源是一种应用功率半导体器件并综合电力变换技术、电子电磁技术、自动控制技术等的电力电子产品。

因其具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、工作稳 定、安全可靠以及稳压范围宽等优点，而被广泛应用于计算机、通信、电子仪器、工业自动控制、国防及家用电器等领域。但是开关电源瞬态响应较差、易产生电磁 干扰，且EMI信号占有很宽的频率范围，并具有一定的幅度。这些EMI信号经过传导和辐射方式污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰，因而在一定程 度上限制了开关电源的使用。

开关电源产生电磁干扰的原因

电磁干扰 (EMI，Electromagneticlnterference)是一种电子系统或分系统受非预期的电磁扰动造成的性能损害。它由三个基本要素组成: 干扰源，即产生电磁干扰能量的设备;藕合途径，即传输电磁干扰的通路或媒介;敏感设备，即受电磁干扰而被损害的器件、设备、分系统或系统。基于此，控制电 磁干扰的基本措施就是:抑制干扰源、切断祸合途径及降低敏感设备对干扰的响应或增加电磁敏感性电平。

根据开关电源工作原理 知:开关电源首先将工频交流电整流为直流电，再逆变为高频交流电，最后经过整流滤波输出，得到稳定的直流电压。在电路中，功率三极管、二极管主要工作在开 关管状态，且工作在微秒量级;三极管、二极管在开一闭翻转过程中，在上升、下降时间内电流变化大、易产生射频能量，形成干扰源。同时，由于变压器的漏感和 输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也会形成潜在的电磁干扰。

开关电源通常工作在高频状态，频率在02 kHz以上，因而其分布电容不可忽略。一方面散热片与开关管的集电极间的绝缘片，由于其接触面积较大，绝缘片较薄，因此，两者间的分布电容在高频时不能忽 略，高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模千扰;另一方面脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可将初级绕组电压直接祸合到次级 绕组上，在次级绕组作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

因此 ， 开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大，如开关管、二极管、高频变压器等元件，以及交流输人、整流输出电路部分。

电气工程师习惯于处理各种抑制问题，从共模抑制到电源抑制，以至于 EMI 抑制，而且这也绝对是我们喜欢做的事。抑制越多越好!

然而对于仪表放大器而言，在计算由电源或共模电压变化产生的失调偏移时很容易产生困惑。这种困惑的根本原因如下图所示：

在图 1 中，放大器的电源抑制比 (PSRR) 随放大器增益配置的升高而增加。这样很容易让人想到，在高增益下产生任何输出偏移，都需要电源的明显变化!但一定要记住：共模抑制比 (CMRR) 和 PSRR 都是输入参考参数：

PSRR 和 CMRR 定义为输入失调电压变化 ΔVOS(IN) 与电源电压变化 ΔVS 或共模电压变化 ΔVCM 的比值。

为了了解增益对这些参数的影响，请将大多数仪表放大器看成两个串行的放大器级，一个输入级放大器(如图 2 中 G1 所示)和一个输出级放大器(如 G2 所示)。电源或共模电压的变化会造成每个放大器级失调电压的变化，如图中 ΔVOS1 和 ΔVOS2 所示。

在需要计算输入时，用输入级增益 G1 除第二个失调电压变化 ΔVOS2。最后，由于两个失调变化的极性未知，可能为正也可能为负，因此可推导出公式 2：

在仪表放大器产品说明书中可找到该公式，从而可计算出由温度、电源和共模电压等不同因素所引起的输入失调变化值：

图 3：内容摘自 INA118 产品说明书，说明不同因素所导致的输入失调变化。

将公式 2 代入公式 1，就很容易得出增益如何影响仪表放大器的 PSRR 和 CMRR：

从输入级增益除以第二个放大器失调电压的变化值 ΔVOS2 可以得出，这两个参数会随增益的提高而增大。

到目前为止，我们一直关注的只是输入失调的变化，但输出端会怎样呢?毕竟我们通常真正关心的是放大器输出。很明显，我们可用 ΔVOS(IN) 乘以放大器总体增益来计算 ΔVOS(OUT)。

很多仪表放大器的输出级增益都为 1，这就意味着放大器总体增益由输入级增益决定。这样我们就可将公式 4 简化为：

由于输入级现已成为主要误差源，因此仪表放大器的 CMRR 和 PSRR 参数可在较高增益下得到改善。但是，还有一个我们尚未讨论的影响。细心的读者在观察图 3 时可能已经注意到了：输出级失调比输入级差。